(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高輝度を産生する照明装置であって、該照明装置は、
高熱伝導性プリント回路基板と、
所定の立体角全体に１つ以上のスペクトル帯域の放射を発生させる、１つ以上のＬＥＤ放出領域を備える少なくとも１つの露出ＬＥＤダイであって、熱伝導性接合層によって該高熱伝導性プリント回路基板に取着される少なくとも１つの露出ＬＥＤダイと、
該高熱伝導性プリント回路基板に取着されて、該ＬＥＤ放出領域の出射を制御する電子制御モジュールと、
フィードバック信号を該電子制御モジュールに提供して、該ＬＥＤ放出領域の出射を調整する光センサであって、該ＬＥＤダイに対して所定の離間した場所において該高熱伝導性プリント回路基板に取着される光センサと、
該高熱伝導性プリント回路基板に固定的に取着され、それと位置合わせされる少なくとも１つの非結像集光器であって、該非結像集光器は、入口開口および出口開口を有し、該非結像集光器の入口開口は、該ＬＥＤ放出領域からの放射を集光し、該ＬＥＤ放出領域と実質的に同一のエタンデュを有し、該非結像集光器の出口開口を通して、それを再放出するために、前記ＬＥＤ放出領域と光学的に整列させられ、前記出口開口近傍から放出される光を採光し、前記非結像集光器から出射する放射の強度を示す光学信号として、折り畳まれた光学路に沿って、それを前記光センサへと配向するために、前記出口開口近傍に配置される、プリズム光学素子を有する、非結像集光器と
を備える、照明装置。
【請求項２】
前記非結像集光器は、それによって集光される放射の実質的にすべてを発散ビームとして再放出し、該発散ビームは、放射が前記ＬＥＤ放出領域の各々によって放出される前記所定の立体角より小さい立体角を有する、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
側板をさらに含み、該側板は、前記ＬＥＤ放出領域から放出された放射が前記光センサに直接到達することを遮断する、請求項１に記載の照明装置。
【請求項４】
前記高熱伝導性プリント回路基板に、他の構成要素が取着されている面と反対の面において熱的に接合された放熱器をさらに含み、それにより、電気エネルギーを光電力に変換して、前記照明装置の量子効率を向上させるプロセスにおいて発生される熱を選択的に発散させる、請求項１に記載の照明装置。
【請求項５】
前記高熱伝導性プリント回路基板上に搭載されたサーミスタをさらに含む請求項１に記載の照明装置であって、それにより、温度を監視し、フィードバック信号を前記電子制御モジュールに提供して、該装置の動作温度および前記ＬＥＤ放出領域の出射を調整する補助をする、照明装置。
【請求項６】
前記高熱伝導性プリント回路基板に、ワイヤとともに取着される電気プラグをさらに含み、該ワイヤは、該電気プラグから延在し、前記少なくとも１つの露出ＬＥＤダイに接合されて、該少なくとも１つの露出ＬＥＤダイと電源との間の電気的な連絡を提供する、請求項１に記載の照明装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの露出ＬＥＤダイは、規則的に離間したＬＥＤダイのアレイと、離間した非結像集光器のアレイとを備え、該個々の非結像集光器は、該規則的に離間したＬＥＤダイと１対１に対応して光学的に結合される、請求項１に記載の照明装置。
【請求項８】
前記ＬＥＤ放出領域の前記スペクトル帯域は、紫外線から近中赤外に及ぶ、請求項１に記載の照明装置。
【請求項９】
前記非結像集光器は、複合放物線、複合楕円形、複合双曲線集光器、直線状テーパ、および高次多項式関数によって記述される曲率を有する集光器、またはそれらの組合せから構成される群から選択される断面形状を有する、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記非結像集光器は、前記入口開口の前方に位置する均質化区画をさらに含み、それにより、前記装置の出射口において、均一な色および強度分布を促進する、請求項９に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記非結像集光器は、光学プラスチック、形成ガラス、およびシリコーンから成る群から選択される材料から加工される、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１２】
鏡面をさらに含み、該鏡面は、前記出口開口の周縁を囲み、前記高熱伝導性プリント回路基板に対向し、それにより、前記ＬＥＤ放出領域から該出口開口を直接通過しない放射を遮断し、該ＬＥＤ放出領域に向かってそれを戻すように配向して、そこから反射させて該出口開口を通し、該鏡面を使用せずに達成されるであろう以上に、該出口開口から外への結合された光を増加させる、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１３】
前記非結像集光器は、第１の円錐区画を含み、該第１の円錐区画は、前記ＬＥＤ放出領域に屈折率不整合である入射側を有し、放物線断面である第２の区画が続き、該第１の円錐区画と該第２の区画とは、ともにθｉｎ×θｏｕｔ複合放物線集光器を含み、該第１の円錐区画の出射面と接続し、それにより、それらの界面において、それらは共通接線を共有し、該第２の放物線区画に結合される第３の円錐区画を備える、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１４】
前記非結像集光器は、正方形と円形との間を遷移する断面形状を有する統合区画と、第２の円錐区画と、それに続く放物線断面である第３の区画とを備え、該第２の円錐区画と第３の放物線区画とは、ともにθｉｎ×θｏｕｔ複合放物線集光器を備え、該第２の円錐区画の出射面と接続し、それにより、それらの界面において、それらが共通接線を共有し、該第３の放物線区画に結合される第４の円錐区画を備える、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１５】
前記非結像集光器は、正方形均質化区画と、それに続くロフト化区画とを備え、該ロフト化区画は、該正方形均質化区画に結合される正方形入射を有し、該正方形均質化区画は、次に、円唇出口開口に遷移する、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１６】
前記非結像集光器は、矩形の入射開口と円形の出射開口との間を遷移する断面形状を有する、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１７】
前記非結像集光器は、矩形の断面形状を有する、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１８】
前記非結像集光器は、一体的に形成される筐体区画と光学区画とを備え、該筐体区画は、前記高熱伝導性プリント回路基板内の相補的に構成された孔に嵌合する位置決めピンを有することにより、該非結像集光器を該高熱伝導性プリント回路基板に対して位置決めする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１９】
前記筐体区画と前記光学区画とは、別個の部品であって、該光学区画をその出射端の近傍に保持する中間区画をさらに含むことにより、該筐体区画に対してそれを配置する、請求項１８に記載の照明装置。
【請求項２０】
前記筐体区画は、光ファイバを前記非結像集光器の出射に対して配置し、保持するためのフェルールである、請求項１９に記載の照明装置。
【請求項２１】
光ファイバとともに使用する照明装置であって、該照明装置は、
高熱伝導性プリント回路基板と、
所定の立体角全体に１つ以上のスペクトル帯域の放射を発生させる１つ以上のＬＥＤ放出領域を備える少なくとも１つの露出ＬＥＤダイであって、熱伝導性接合層によって該高熱伝導性プリント回路基板に取着される少なくとも１つの露出ＬＥＤダイと、
該高熱伝導性プリント回路基板に取着されて、該ＬＥＤ放出領域の出射を制御する電子制御モジュールと、
該高熱伝導性プリント回路基板に固定的に取着され、それと位置合わせされる少なくとも１つの非結像集光器であって、該非結像集光器は、入口開口および出口開口を有し、該非結像集光器の入口開口は、該ＬＥＤ放出領域からの放射を集光し、所定のエタンデュを有する該非結像集光器の出口開口を通して、それを再放出するために、該ＬＥＤ放出領域と光学的に整合される、非結像集光器と、
該高熱伝導性プリント回路基板に搭載されるホルダであって、該ホルダは、光ファイバを該非結像集光器の出口開口に対して配置するためのフェルールを受容する第１のボアと、該非結像集光器の出口開口を筐体に対して配置するリテーナを受容する第２のボアとを有し、該リテーナは、該非結像集光器からの出射を向上させる該出口開口を通した後方反射のために、該出口開口から直接出射しない、そこからの光を該ＬＥＤ放出領域に後方に配向するための該ＬＥＤ放出領域に対向する鏡面化表面を有する、ホルダと
を備える、照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般に、誘電非結像光学中に結合される高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイまたはダイアレイから放出され、監視光ダイオードに向かって配向される、光の集光および監視に関する。用途は、内視鏡、ボロスコープ、または顕微鏡照明内等の光ファイバに結合する、高輝度照明が必要とされる商業用、軍事用、産業用照明、機械視覚のための均一照明、ダウンライト内におけるような一般照明、蛍光画像、およびＵＶ硬化を含む、多くの市場を網羅する。
【背景技術】
【０００２】
高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）光源は、短寿命、低効率に悩まされ、多くの場合、有毒物質または化合物を含有する従来の光源の代用となる挑戦的な用途に対して高い需要がある。我々は、ＬＥＤ光エンジンを、ＬＥＤダイが取着されたＬＥＤ基板と、光を効率的に集光し、エタンデュ（立体角、面積、屈折率の２乗の積）を実質的に保持するための主要集光光学との組み合わせとして定義し、サーミスタまたは熱電対等の温度監視デバイス、光監視のための光センサ、ＬＥＤ駆動電流および電圧を制御するための駆動電子機器を含む補助電子機器と、電気コネクタとを含んでもよい。先行技術は、一般的には、関連照明用途のために、タングステンまたはタングステンハロゲン、金属ハロゲン化合物、およびキセノンアーク燈を利用する。
【０００３】
最近、ＬＥＤ系照明システムが、市場に出現し始めているが、一般的には、予めパッケージ化されたＬＥＤデバイスに基づくものであって、本発明と比較して、比較的不良な性能に悩まされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
故に、本発明の主要な目的は、非結像集光光学と組み合わせて、ＬＥＤを利用する高輝度照明光源を提供することである。
【０００５】
本発明のさらに別の目的は、光が、集光光学の出射開口から採光され、内蔵光センサに後方配向され、一定の光出射を維持することが必要であるか、または時間および温度によってどのように光出射が変化するかを知る必要がある用途に対して、継続的な監視あるいは光学フィードバック制御を可能にするＬＥＤ系システムを提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、以下の明細書が、添付の図面と併せて熟読されることによって、部分的に明白となり、以下に部分的に現れるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
予めパッケージ化されたＬＥＤは、ＬＥＤダイまたはダイアレイを備えるデバイスとして定義され、これは、電気導線および熱バックプレーンに付随する熱インピーダンスをそれぞれ有する１つ以上の熱的および電気的伝導性材料の上部に着座し、次いで、付加的な熱インピーダンスを有するさらに別の基板に取着されることが意図される。予めパッケージ化されたデバイスの実施例として、現在、Ｐｈｉｌｉｐｓから市販されている、ＬｕｘｅｏｎＴＭおよびＲｅｂｅｌＴＭ製品ライン、Ｏｓｒａｍ  ＤｒａｇｏｎＴＭおよびＯｓｔａｒＴＭ製品ライン、ならびにＣＲＥＥ  Ｘ−ＬａｍｐＴＭ製品ラインが挙げられる。
【０００８】
本発明は、ハンダ、共晶取着、または伝導性エポキシによって基板に取着される高輝度露出ＬＥＤダイと、高効率コンパクト非結像光学と、併せて、「チップオンボード」（ＣＯＢ）金属コアプリント回路基板（ＰＣＢ）技術を使用する。本構成は、予めパッケージ化されたＬＥＤデバイスを組み込むシステムと比較して、よりコンパクト、より高い性能、より長い寿命、かつより低コストのＬＥＤ光エンジンを提供する。ＣＯＢ技術の場合、ＬＥＤ接合点と放熱器との間の熱インピーダンスは、ＬＥＤダイを、金属コアまたは薄い低熱インピーダンス誘電性銅箔層（または、他の高熱伝導性材料基板）上に直接設置することによって、大幅に低減され、それによって、温度依存寿命および熱依存出力電力を増加させる。加えて、露出ＬＥＤダイ上に封入材料またはドーム状光学が存在しないため、ダイ上に集光光学を保存するのに、なおさらコンパクトかつ実質的に効率的エタンデュ（面積、立体角、屈折率の２乗の積）を得ることが可能である。コストは、ＣＯＢ構成の場合、予めパッケージ化されたＬＥＤデバイスの場合に、ＬＥＤダイに取着される構成要素の付加的費用が存在しないため、大幅に削減される。加えて、ＬＥＤダイのなおさら高い充填密度が可能となり、電流密度を大幅に低下させ、それによって、効率を向上させ、必要とされる総放熱を減少させる。特に、光ファイバ照明等の小直径開口を必要とする用途の場合、本発明は、予めパッケージ化されたＬＥＤデバイスによって構築可能なものと比較して、より高い効率でなおさらコンパクトなシステムを可能にする。
【０００９】
本明細書における本発明は、蛍光体またはＬＥＤダイ色とＬＥＤダイコーティングされた蛍光体の組み合わせから得られた広帯域白色光を含む、１つ以上の個別色を伴う発光ダイオード（ＬＥＤ）を組み込む、ＬＥＤ光エンジンシステムである。ＬＥＤダイまたはダイアレイは、ＬＥＤダイおよび電子駆動構成要素の両方を含むことが可能な、ＣＯＢ技術を備える、高熱伝導性回路基板に搭載され、産業標準タングステンハロゲンランプ、金属ハロゲン化合物、またはキセノンアーク燈等、予めパッケージ化されたＬＥＤシステムおよび他の非ＬＥＤシステムと比較して、より低いコストで熱および光学性能が改良された、よりコンパクトかつ信頼性のある設計をもたらす。高効率非結像集光光学と併せて、本発明の結果として生じるＬＥＤ系光エンジンは、輝度において、他の市販のＬＥＤ系照明システムと比較にならない。
【００１０】
一般的には、紫外線（ＵＶ）、青色、緑色、琥珀色、赤色、赤外線、あるいは蛍光体コーティングされた青色またはＵＶ  ＬＥＤダイもしくはダイアレイからの光は、実質的にエタンデュを保存する、非結像集光器によって集光される。したがって、これらの光エンジンは、理想的には、今日存在する最も挑戦的光用途の中でもとりわけ、前照灯または内視鏡のための外科手術用照明等の用途に好適である。
【００１１】
ＣＯＢ技術と高効率非結像光学の組み合わせは、本発明の好ましい実施形態をもたらす。本発明の特定の側面は、光が、光学の出射開口から採光され、内蔵光センサに後方配向され、一定の光出射を維持する必要がある、または光出射が、時間および温度に伴って、どのように変化するかを知る必要がある、用途に対して、継続的監視または光学フィードバック制御を可能にする、方法である。加えて、一般的には、基板に取着されたサーミスタ等の温度監視デバイスが存在し、継続的温度監視および／または制御を可能にする。
【００１２】
好ましい本発明の実施形態の別の重要な側面は、反射開口を使用して、光ファイバ結合等、エタンデュ制限用途に対して特定の用途を有する、光エンジンの輝度を増加させる。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
高輝度を産生する照明装置であって、該照明装置は、
高熱伝導性プリント回路基板と、
所定の立体角全体に１つ以上のスペクトル帯域の放射を発生させる、１つ以上のＬＥＤ放出領域を備える少なくとも１つの露出ＬＥＤダイであって、熱伝導性接合層によって該高熱伝導性プリント回路基板に取着される少なくとも１つの露出ＬＥＤダイと、
該高熱伝導性プリント回路基板に取着されて、該ＬＥＤ放出領域の出射を制御する電子制御モジュールと、
フィードバック信号を該電子制御モジュールに提供して、該ＬＥＤ放出領域の出射を調整する光センサであって、該ＬＥＤダイに対して所定の離間した場所において該高熱伝導性プリント回路基板に取着される光センサと、
該高熱伝導性プリント回路基板に固定的に取着され、それと位置合わせされる少なくとも１つの非結像集光器であって、該非結像集光器は、入口開口および出口開口を有し、該非結像集光器の入口開口は、該ＬＥＤ放出領域からの放射を集光し、該ＬＥＤ放出領域と実質的に同一のエタンデュを有し、該非結像集光器の出口開口を通して、それを再放出するために、前記ＬＥＤ放出領域と光学的に整列させられ、前記出口開口近傍から放出される光を採光し、前記非結像集光器から出射する放射の強度を示す光学信号として、折り畳まれた光学路に沿って、それを前記光センサへと配向するために、前記出口開口近傍に配置される、プリズム光学素子を有する、非結像集光器と
を備える、照明装置。
（項目２）
前記非結像集光器は、それによって集光される放射の実質的にすべてを発散ビームとして再放出し、該発散ビームは、放射が前記ＬＥＤ放出領域の各々によって放出される前記所定の立体角より小さい立体角を有する、項目１に記載の照明装置。
（項目３）
側板をさらに含み、該側板は、前記非結像集光器から出現し得る迷光放射が、放射の強度が採光される、該非結像集光器の出口開口の近傍点と前記光センサとの間の前記折り畳まれた光学路に、および前記ＬＥＤ放出領域から該光センサに直接的に入射することを防止する、項目１に記載の照明装置。
（項目４）
前記高熱伝導性プリント回路基板に、他の構成要素が取着されている面と反対の面において熱的に接合された放熱器をさらに含み、それにより、電気エネルギーを光電力に変換して、前記照明装置の量子効率を向上させるプロセスにおいて発生される熱を選択的に発散させる、項目１に記載の照明装置。
（項目５）
前記高熱伝導性プリント回路基板上に搭載されたサーミスタをさらに含む項目１に記載の照明装置であって、それにより、温度を監視し、フィードバック信号を前記電子制御に提供して、該装置の動作温度および前記ＬＥＤ放出領域の出射を調整する補助をする、照明装置。
（項目６）
前記高熱伝導性プリント回路基板上に、ワイヤとともに搭載される電気プラグをさらに含み、該ワイヤは、該電気プラグから延設し、該高熱伝導性プリント回路基板に取着される種々の他の構成要素に接合されて、該高熱伝導性プリント回路基板に取着される該構成要素と電源との間の電気的な連絡を提供する、項目１に記載の照明装置。
（項目７）
前記少なくとも１つの露出ＬＥＤダイは、規則的に離間したＬＥＤダイのアレイと、離間した非結像集光器のアレイとを備え、該個々の非結像集光器は、該規則的に離間したＬＥＤダイと１対１に対応して光学的に結合される、項目１に記載の照明装置。
（項目８）
前記ＬＥＤ放出領域の前記スペクトル帯域は、紫外線から近中赤外に及ぶ、項目１に記載の照明装置。
（項目９）
前記非結像集光器は、複合放物線、複合楕円形、複合双曲線集光器、直線状テーパ、および高次多項式関数によって記述される曲率を有する集光器、またはそれらの組合せから構成される群から選択される断面形状を有する、項目１に記載の照明装置。
（項目１０）
前記非結像集光器は、前記入口開口の前方に位置する均質化区画をさらに含み、それにより、前記装置の出射口において、均一な色および強度分布を促進する、項目９に記載の照明装置。
（項目１１）
前記非結像集光器は、断面が矩形であることにより、前記光学軸に相互に垂直である垂直平面および水平平面において前記発散ビームの発散を制御する、項目５に記載の照明装置。
（項目１２）
前記非結像集光器は、光学プラスチック、形成ガラス、およびシリコーンから成る群から選択される材料から加工される、項目１に記載の照明装置。
（項目１３）
鏡面をさらに含み、該鏡面は、前記出口開口の周縁を囲み、前記高熱伝導性プリント回路基板に対向し、それにより、前記ＬＥＤ放出領域から該出口開口を直接通過しない放射を遮断し、該ＬＥＤ放出領域に向かってそれを戻すように配向して、そこから反射させて該出口開口を通し、該鏡面を使用せずに達成されるであろう以上に、該出口開口から外への結合された光を増加させる、項目１に記載の照明装置。
（項目１４）
前記非結像集光器は、第１の円錐区画を含み、該第１の円錐区画は、前記ＬＥＤ放出領域に屈折率不整合である入射側を有し、放物線断面である第２の区画が続き、該第１の円錐区画と該第２の区画とは、ともにθｉｎ×θｏｕｔ複合放物線集光器を含み、該第１の円錐区画の出射面と接続し、それにより、それらの界面において、それらは共通接線を共有し、該第２の放物線区画に結合される第３の円錐区画を備える、項目１に記載の照明装置。
（項目１５）
前記非結像集光器は、正方形と円形との間を遷移する断面形状を有する統合区画と、第２の円錐区画と、それに続く放物線断面である第３の区画とを備え、該第２の円錐区画と第３の放物線区画とは、ともにθｉｎ×θｏｕｔ複合放物線集光器を備え、該第２の円錐区画の出射面と接続し、それにより、それらの界面において、それらが共通接線を共有し、該第３の放物線区画に結合される第４の円錐区画を備える、項目１に記載の照明装置。
（項目１６）
前記非結像集光器は、正方形均質化区画と、それに続くロフト化区画とを備え、該ロフト化区画は、該正方形均質化区画に結合される正方形入射を有し、該正方形均質化区画は、次に、円唇出口開口に遷移する、項目１に記載の照明装置。
（項目１７）
前記非結像集光器は、矩形の入射開口と円形の出射開口との間を遷移する断面形状を有する、項目１に記載の照明装置。
（項目１８）
前記非結像集光器は、矩形の断面形状を有する、項目１に記載の照明装置。
（項目１９）
前記非結像集光器は、一体的に形成される筐体区画と光学区画とを備え、該筐体区画は、前記高熱伝導性プリント回路基板内の相補的に構成された孔に嵌合する位置決めピンを有することにより、該非結像集光器を該高熱伝導性プリント回路基板に対して位置決めする、項目１に記載の照明装置。
（項目２０）
前記筐体区画と前記光学区画とは、別個の部品であって、該光学区画をその出射端の近傍に保持する中間区画をさらに含むことにより、該筐体区画に対してそれを配置する、項目１９に記載の照明装置。
（項目２１）
前記筐体区画は、光ファイバを前記非結像集光器の出射に対して配置し、保持するためのフェルールである、項目２０に記載の照明装置。
（項目２２）
光ファイバとともに使用する照明装置であって、該照明装置は、
高熱伝導性プリント回路基板と、
所定の立体角全体に１つ以上のスペクトル帯域の放射を発生させる１つ以上のＬＥＤ放出領域を備える少なくとも１つの露出ＬＥＤダイであって、熱伝導性接合層によって該高熱伝導性プリント回路基板に取着される少なくとも１つの露出ＬＥＤダイと、
該高熱伝導性プリント回路基板に取着されて、該ＬＥＤ放出領域の出射を制御する電子制御モジュールと、
該高熱伝導性プリント回路基板に固定的に取着され、それと位置合わせされる少なくとも１つの非結像集光器であって、該非結像集光器は、入口開口および出口開口を有し、該非結像集光器の入口開口は、該ＬＥＤ放出領域からの放射を集光し、所定のエタンデュを有する該非結像集光器の出口開口を通して、それを再放出するために、該ＬＥＤ放出領域と光学的に整合される、非結像集光器と、
該高熱伝導性プリント回路基板に搭載されるホルダであって、該ホルダは、光ファイバを該非結像集光器の出口開口に対して配置するためのフェルールを受容する第１のボアと、該非結像集光器の出口開口を筐体に対して配置するリテーナを受容する第２のボアとを有し、該リテーナは、該非結像集光器からの出射を向上させる該出口開口を通した後方反射のために、該出口開口から直接出射しない、そこからの光を該ＬＥＤ放出領域に後方に配向するための該ＬＥＤ放出領域に対向する鏡面化表面を有する、ホルダと
を備える、照明装置。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明の構造、動作、および方法論は、それらの他の目的および利点とともに、図面（各部分は、出現する種々の図面中のいずれの場所においても、それを識別する番号または標識が割り当てられる）と併せて、以下の発明を実施するための形態を熟読することによって、最も理解されるであろう。
【図１】図１は、放熱器と、ＬＥＤダイを伴うＬＥＤ基板と、非結像集光光学と、を備える、ＬＥＤ光エンジンの好ましい実施形態を示す。
【図２】図２は、図１のシステムの断面図である。
【図３】図３は、放熱器、光学、およびコネクタが除去された、図１のシステムの図であって、ＬＥＤダイと、光センサと、サーミスタと、増幅率レジスタと、を示す。
【図４】図４は、正確なＬＥＤダイ設置のためのワイヤ接合および整合画路の付加的詳細を示す、図３のシステムの拡大図を示す。
【図５】図５は、図２に断面として示された光遮断側板を有する、図３のシステムを示す
【図６】図６は、図５のシステムの断面を示す。
【図７】図７は、図２のシステムの断面を示し、監視光センサに向かって反射された光のための光線路と、そうでなければ、光を光センサに分路するであろう、側板による光の遮断とを示す。
【図８】図８は、集光光学の上部から、光センサへと、下方に向かって反射される光のための光路のさらなる詳細を示す
【図９】図９は、複合放物線集光器（ＣＰＣ）区画中に結合される、光を均質化する第１の区画を備える、図１の集光光学の代替実施形態の等角図を示す。
【図１０】図１０は、図９の光学の底面図を示す。
【図１１】図１１は、図９の光学の断面図を示す。
【図１２】図１２は、図１の光学の代替実施形態を示す。
【図１３】図１３は、図１２の光学の底面図を示す。
【図１４】図１４は、図１の光学の代替実施形態を示す。
【図１５】図１５は、図１４の光学の底面図を示す。
【図１６】図１６は、正方形断面テーパから構成される、図１の光学の別の実施形態を示す。
【図１７】図１７は、図１６の光学の底面図を示す。
【図１８】図１８は、中心開口からの輝度を増加させる目的のために、集光光学の出射面に配置された鏡面化開口を伴う、図１のシステムの別の実施形態を示す。
【図１９】図１９は、図１８のシステムの断面を示す。
【図２０】図２０は、図１８のシステムに示される光学の底面図を示す。
【図２１】図２１は、ＬＥＤから散乱し、出射開口から後方に出射する、鏡面化開口に反射する光線路を示す、図１９の光学のより詳細な図を示す。
【図２２】図２２は、図２１の光学区画の側面図を示す。
【図２３】図２３は、集光光学および光学ホルダの別の実施形態を示す。
【図２４】図２４は、図２３のシステムの断面図を示す。
【図２５】図２５は、図１８のシステムに類似する、出射の輝度を増加させるための縮小鏡面化開口ホルダを伴う、図２３のシステムの第２の実施形態を示す。
【図２６】図２６は、図２５のシステムの断面図を示す。
【図２７】図２７は、図２３のシステムの断面図の側面を示す。
【図２８】図２８は、図２５のシステムの断面図の側面を示す。
【図２９】図２９は、高輝度ＬＥＤ光を光ファイバ中に取り込む、図１８のシステムの最終実施形態を示す。
【図３０】図３０は、図２９のシステムの断面図を示す。
【図３１】図３１は、図２９のシステムの断面図の等角図を示す。
【図３２】図３２は、ＬＥＤ基板を伴わない、図２９のシステムの断面図を示し、鏡面化開口の詳細を示す。
【図３３】図３３は、図２９のシステムの内部構成要素を示す。
【図３４】図３４は、図３３のシステムの断面図を示す。
【図３５】図３５、３６、３７および３８は、図２９のシステムの光学の詳細を示す。
【図３６】図３５、３６、３７および３８は、図２９のシステムの光学の詳細を示す。
【図３７】図３５、３６、３７および３８は、図２９のシステムの光学の詳細を示す。
【図３８】図３５、３６、３７および３８は、図２９のシステムの光学の詳細を示す。
【図３９】図３９は、ＬＥＤの熱負荷を発散させる目的のために、１つの代わりに４つの集光光学を使用する代替実施形態を示す。
【図４０】図４０は、図２９のシステムの断面図を示す。
【図４１】図４１は、ＬＥＤ基板を伴わない、図３９のシステムを示す。
【図４２】図４２は、ＬＥＤダイを伴わない、図４１のシステムの断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、エタンデュ（面積、立体角、屈折率の２乗の積）が、実質的に保持され、一般的な照明、顕微鏡、内視鏡、およびボロスコープを含む、光ファイバ結合、機械視覚および検査、紫外線（ＵＶ）硬化、医療用照明、投影システム、ならびに蛍光照明を含む、多くの市場にわたる用途を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）照明システムに関する。特に、本発明は、先行技術と比較して、より容易に製造され、信頼性のあるパッケージにおいて、より高い性能をもたらす。本発明の重要な側面は、関連付けられた集光光学が、光学の入口開口において放出され、該光学の上方部分を通過する、ＬＥＤダイ、ダイアレイ、または蛍光体からの光の採光を提供し、次いで、全反射（ＴＩＲ）によって、光学の外側壁を後方下方へと、同一のＬＥＤ基板に取着された光センサに向かって反射させられる方法である。このように、採光された光は、入口開口全体からの混合光の良好な表現であって、また、誘発された光による光学の伝達における何らかの変化または光学吸収における劣化に関連した変化も考慮する。
【００１５】
図１は、ＬＥＤ光エンジンの好ましい実施形態の等角図１００を示す。ＬＥＤが搭載される高い熱伝導性のＬＥＤ基板１０４は、明らかに、放熱器１０８に取着されて示されている。集光光学１０２は、光が表面１１０から出射するＬＥＤ基板に取着される。表面に搭載された多重ピンコネクタ１０６は、ＬＥＤ基板１０４にハンダ付けされる。出射および寿命を改良するために、低いＬＥＤ接合点温度を維持するように銅、アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、平面状ヒートパイプ、化学蒸着（ＣＶＤ）ダイヤモンド、グラファイト、アルミニウム、および銅複合材料等を含むが、それらに限定されない高熱伝導性の基板材料を使用して、基板の背面を通る放熱器への熱流束を低減させるために、基板の平面に熱を拡散させる。熱伝導性の材料が、一般的には、界面全体の温度上昇を低減させるために、ＬＥＤ基板１０４の背面と放熱器１０８との間に設置される。好適な材料は、Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ｏｆ  Ｃｈａｎｈａｓｓｅｎ、ＭＮ  ５５３１７  ＵＳＡ等の企業から、Ｇａｐ  ＰａｄまたはＳｉｌ  Ｐａｄの名称で販売されている酸化シリコーン／アルミニウム材料、酸化アルミニウム、銀、またはダイヤモンド粒子に基づくもの等の標準的な熱グリース、あるいは高配向グラファイトポリマーフィルムから構成されるＰａｎｏｓｏｎｉｃ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから利用可能なもの等のＰｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ  Ｓｈｅｅｔ（ＰＧＳ）を含む。多重ピンコネクタ１０６は、ＬＥＤ基板１０４に表面に搭載されて示され、約数１０アンペアの高電流をＬＥＤに伝達可能である。
【００１６】
図２は、入射開口２０４と、光遮断側板２０８と、光センサ２１０とを有する、結像集光光学１０２の詳細を示す、図１のシステムの垂直断面図を示す。ＬＥＤ集光光学１０２は、好ましい実施形態では、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓから出版された書籍「Ｈｉｇｈ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  Ｎｏｎ−ｉｍａｇｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃｓ」中において、ＷｉｎｓｔｏｎおよびＷｅｌｆｏｒｄによって説明されるもの等の複合放物線集光器（ＣＰＣ）から形成され、エッジ光線原理に従って、傾斜および偏移放物線区画から構成される。光学１０２を形成するために使用される一般的な誘電性材料は、アクリル、ポリカーボネート、環状オレフィン（Ｚｅｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから市販等）等の高透明性の光学グレードの熱可塑性材、あるいはガラスまたはシリコーン等の他の透明材料を含むが、それらに限定されない。Ｂａｙｅｒによって製造され、ＬＥＤ２０４５またはＬＥＤ２２４５等の製品を含む、新しい種類のポリカーボネートは、短波長の青色光またはＵＶ波長への曝露からの黄変耐性に対して特に好適である。加えて、Ｂａｙｅｒ製材料は、約１４７℃の高いガラス遷移温度を有し、ロバストで信頼性のあるデバイスをもたらす強固な機械的特性を有する。光学１０２の入口開口２０４下に、直接、ＬＥＤ基板１０４に取着されたＬＥＤダイ、ダイアレイ、および／または蛍光体から放出される光は、最初に、一般的には、Ｎｕｓｉｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから利用可能なもの等のシリコーンから構成される屈折率整合ゲルを通過する。屈折率整合ゲルは、全反射される光、したがって、ＬＥＤダイ内に捕捉される光を低減することに起因して、ＬＥＤダイ自体内に生成される光の抽出効率を増加させる。光は、ＣＰＣの側壁で反射し、図１の開口１１０に向かって配向され、光学のエッジ外側の上部の周囲の光の一部は、光学２０６の外側壁を通って光センサ２１０に向かい、後方下方への全反射（ＴＩＲ）のプロセスによって、折り畳まれた光学路を通るように配向される。側板２０８の目的は、そうでなければ、より直接的な経路によって、光センサに到達するであろう光を遮断することである。このように、光を採光する利点は、光学１０２の入射開口２０４全体にわたって、全ＬＥＤダイから良好な平均的採光を表すことである。加えて、光学の劣化に伴って、ポリマー材料から構成される場合、吸収の増加、したがって、光の損失が、光センサ２１０に到達する光に影響を及ぼし、光がＬＥＤから光センサに直接到達するはずである場合より、開口１１０から出射する光の良好な指標となるであろう。
【００１７】
図３は、ＬＥＤダイアレイ３０６と、光センサ２１０および関連付けられた増幅率レジスタ３０２と、サーミスタ３０４とを示す、ＬＥＤ基板１０４の詳細な斜視図を示す。
【００１８】
図４は、図３の基板１０４上の半導体構成要素の拡大接近図を示す。ＬＥＤダイ３０６は、最良の熱性能を達成するために、ハンダ、直接共晶取着、ならびに電気的および熱伝導性エポキシを含む標準的な取着材料を使用して、金コーティングされた銅基板に直接取着される。レーザ画路線４０４は、ダイのための整列基準として作用するように、金属基板に研削されて示され、基板内に孔を備えるデータムに整列し、光学１０２内の運動ピンは、その孔を通ってアセンブリ上に配置される。これは、入射開口２０４が、ＬＥＤダイまたはダイアレイ３０６と整列することを保証する。ワイヤ接合４０２は、ＬＥＤダイの上部側を囲む接点に取着していることが示され、次に、コネクタ１０６へと経路が定められている。
【００１９】
図５は、光遮断側板２０８が取着されたＬＥＤ基板１０４の斜視図を示す。側板２０８は、光学１０２によって適所に保持されるように設計される。光は、光センサ２１０の有効領域上の中心に置かれる孔５０４において、側板２０８に入射する。図５のシステムの垂直断面図は、図６に示される。光センサ２１０を囲む側板２０８の部分は、ＬＥＤダイ３０６からの光が、光センサに直接到達することを遮断するように作用することが分かる。
【００２０】
図７は、図１のシステムの拡大断面図を示す。点線として示される光線路７０２は、屈折率整合ゲルおよび入射開口２０４を通して、光学１０２の上方外側プリズムファセット７０１および７０２に向かって、ＬＥＤダイアレイ３０６から出射するように示されている。光線路７０２は、全反射によって反射し、側板孔５０４を通過するように角度付けられたファセット７０１および７０２によって、光センサ２１０に向かって、後方下方に配向される。ＣＰＣは、単一片として形成され、ＣＰＣ部分を１０２の外側表面に取着する何らかの手段が存在する必要があるので、本アプローチはまた、光採光手段として作用することによって、二重の役割を果たす。出射開口１１０は、Ｌｕｍｉｎｉｔ  ｏｆ  Ｔｏｒｒａｎｃｅ、ＣＡ等の企業によって製造される「ホログラフィック拡散体」と称されるもの、またはＲＰＣ  ｉｎ  Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ、ＮＹ等の企業から市販の「Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒｓ」等の薄型（０．０１０インチ）拡散体の取着を可能にするように陥凹される。拡散体の目的は、遠視野強度分布の均一性を増加させる、あるいは好適な表面構造によって、楕円または矩形遠視野を提供することである。代替として、拡散体はまた、光学１０２の出射開口１１０上に直接形成され得る。一般的には、拡散体は、遠視野用途のためのみに使用され、概して、開口１１０の出口を光ファイバまたは光パイプに結合するとき、あるいは近視野が、投影用途等において再結像されるときには、使用されない。ＬＥＤダイアレイ３０６から放出される暗色矢印は、光が、側板５０２によって、ＣＰＣ２０２を通過せずに、光センサ２１０に到達することが遮断されることを示す。
【００２１】
図８は、一部分解された、図７の光学１０２の拡大接近図を示し、側壁８０６の下方へとファセット７０１および７０２から反射する２つの異なる光線路７０２を示す。この幾何学形状の効率は、ＺＥＭＡＸ光学設計ソフトウェアを使用して、非連続光線トレーシングを介して最適化された。
【００２２】
図９は、図１の光学１０２の代替実施形態の光学９００を示す。光学９００は、同一のＬＥＤ基板１０４に取着されるように設計される。光学９００は、屈折率整合ゲルを使用しないように特別に設計された。図９の本発明の非常に重要な側面の１つは、エタンデュ（屈折率の２乗、面積、立体角の積）の屈折率の２乗の部分の役割を認識することによって、有効線源強度を最大にする目的のために、ＬＥＤダイと集光光学の入射開口との間に屈折率整合ゲルが存在しないことである。従来、ＬＥＤダイの抽出効率は、屈折率整合ゲルの屈折率の約２乗（約２倍）だけ増加する。しかしながら、最先端のＬＥＤダイにおいて使用される表面抽出向上技術によって、これは、もはや当てはまらない。実際、より短い波長のＧａＮ  ＬＥＤダイ（ＵＶから緑色）は、屈折率が整合させられるとき、ＬＥＤダイ製造業者に応じて、２０％乃至４０％のオーダーでしか増加せず、より長い波長である琥珀色から赤色および近赤外線ＬＥＤダイは、５０％乃至６０％のオーダーでしか増加しない。したがって、エタンデュの屈折率の２乗係数に起因して、輝度は、固定エタンデュの場合、源の許容面積を効果的に増加させ、より低い電流密度でＬＥＤダイを稼働可能にする屈折率整合ゲルを使用しないことによって向上する。加えて、一般的には、蛍光体とシリコーンとの混合物によって、青色ＬＥＤダイをコーティングすることによって導出される広帯域白色ＬＥＤ光の場合、ＬＥＤは、既に屈折率が整合されており、屈折率整合ゲルの使用によって、わずかに出射が増加する。蛍光体は、当技術分野において周知のセリウムでドープされたＹＡＧ（Ｃｅ：ＹＡＧ）、またはＩｎｔｅｍａｔｉｘ  ｏｆ  Ｆｒｅｍｏｎｔ、ＣＡ等の企業から市販されている、代替黄色蛍光体のうちの１つ等の種類であるだろう。ＬＥＤダイによって放出される青色光の一部は、蛍光体によって吸収され、散乱するが、吸収されない青色光と組み合わされて、白色光の出現をもたらす、黄色光として再放出される。一般的には、蛍光体は、シリコーン材料によって、ＬＥＤダイの放出表面上の適所に保持される。好ましい実施形態では、蛍光体は、最適な色均一性および強度を達成するための共形コーティングプロセスについて説明する、係属中の国際特許出願（ＷＯ２００７／０６４３４２号）に示される方法によって塗布されるであろう。多くの予めパッケージ化されたＬＥＤは、封入されており、すなわち、ＣＯＢ上の屈折率不整合ＬＥＤと比較して、より低い輝度を効果的にもたらすことを意味する。
【００２３】
ＬＥＤダイまたはダイアレイあるいはダイおよび蛍光体からの光は、入射開口９０４において、光学９０２に入射するであろう。入射開口９０４は、正方形であって、同様に正方形であるＬＥＤダイまたはダイアレイの形状に最適に整合する。本実施例における区画９０６は、長さ約１０ｍｍを有し、入射開口９０４の正方形断面から、ＣＰＣ入口開口９０８における円形断面へと遷移する。これは、事実上、屈折率不整合ＣＰＣであるので、ＣＰＣ９１０の第１の区画は、ＣＰＣの直ぐ内側の光が、スネルの法則（ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２）によって決定される９０度未満の角度を有するような円錐形である。したがって、集光光学は、同様に、ＷｉｎｓｔｏｎおよびＷｅｌｆｏｒｄによって説明される有限入射角が、より小さい有限出射角に変換されるθｉｎ×θｏｕｔ集光器となる。光学９０２の底面における特徴は、図１の光学１０２のものに類似している。運動ピン９１４は、ＬＥＤ基板１０４上の厳密な公差の孔に連結する。光学９０２上のピン９１２は、ＬＥＤ基板１０４上の別の孔に嵌入し、光学を回転軸に係止する。ピン９１２の接線寸法は、その半径寸法より大きく、基板上の孔間の距離対光学上のピン間の距離における製造公差のため、嵌合に関するいかなる問題も防止する。光学９０２の底面の両側の孔９１６は、ＬＥＤ基板１０４を光学１０２に係止するセルフタッピンプラスチックネジのためのものである。光学９０２の底面上の凹凸のある領域９１８は、光センサ孔５０４の近傍に、側板５０２（図６参照）のための余地を提供する。９１８の表面は、出射開口１１０から採光された光が、最小の散乱を伴って、光センサに向かって配向されることを可能にするように平滑である。図１０は、図９の底面図を示す。円錐区画９１０は、ＣＰＣ区画１００２内へとつながり、１００４において、円形断面内の光学の上部に結合する。
【００２４】
図１１は、光学９０２の断面図を示す。光は、ＬＥＤダイ、ダイアレイ、蛍光体、またはダイと蛍光体両方の組み合わせから、９０４において、光学に入射し、集光光学θｉｎ×θｏｕｔＣＰＣの入口９０８に向かって、光統合区画９０６を下方に通過することに伴って、近視野において均質化される。ＣＰＣは、エタンデュを保存することにおいて非常に効率的であって、それによって、最高輝度を提供する所与の最大範囲の出射角に対する最小出射開口を維持することに留意することが重要である。実際、ＣＰＣに入射する光の約９６％は、エタンデュ整合によって画定される立体角内に放出される。ＣＰＣの出射は、均一に充填された入射に対して、近視野および遠視野の両方において非常に均一であるが、入射が均一ではない場合、近視野および遠視野が両方とも構造（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を示す可能性がある。したがって、光統合区画９０６の光均質化効果は、大いに低減された出射の近視野および遠視野の均一性の、入射の近視野の均一性への依存をもたらす。一般的には、ＬＥＤダイおよび蛍光体からの出射は両方とも、実質的にランバート光源（入射角のコサインに伴って低下する）であって、したがって、唯一の配慮は、ＣＰＣ区画９０８の入射口における遠視野の均一性ではなく、近視野の均一性である。開口９０４と９０８との間のドラフト（ｄｒａｆｔ）角によって、開口９０８に入射する光は、開口９０４の直ぐ内側よりも、遠視野角度が若干低減され、そのことは、ＣＰＣの入射開口を開放することによって考慮に入れられる。入射開口９０４をＬＥＤダイアレイの正方形形状に整合するように成形することによって、輝度を最大にし、ＬＥＤまたは蛍光体源のエタンデュを維持する。区画９０６の均質化効果はまた、多色ＬＥＤダイまたはＬＥＤダイと蛍光体の組み合わせが、出口開口１１０２における優れた近視野および遠視野均一性を伴って使用されることを可能にする。例えば、青色ＬＥＤダイおよび赤色ＬＥＤダイを入射開口９０４において使用し、高演色評価数（ＣＲＩ）および制御相関色温度（ＣＣＴ）の両方を同時に達成することが可能である。製造プロセスは、赤色ダイ波長が、一般的蛍光体によって吸収されず、ＬＥＤダイをコーティングするために使用される蛍光体／シリコーンの組み合わせの屈折率整合効果が、後方散乱のための損失を補償するので、青色ダイおよび赤色ダイの両方を蛍光体によってコーティングすることによって簡略化可能である。同様に、そうでなければ非均一入射強度分布に対して存在するであろう、感度に起因する赤色、緑色、および青色等の複数のＬＥＤダイ色の近視野または遠視野における均一性問題に悩まされることなく、組み合わされて使用され、出射スペクトルの精密な制御をもたらすことが可能である。１１０８における点線は、θｉｎ×θｏｕｔＣＰＣの円錐区画９１０と放物線区画１００２との間の遷移を示す。再び、出射開口１１０２は、特殊用途に対する所望に応じて、出射遠視野を変化させるための拡散体を収容するように設計される。
【００２５】
図１２および１３は、それぞれ、図９の光学の代替実施形態１２００の断面および底面図を示す。この場合、均質化区画１２０４の入射および出射開口１２０２および１２０６は両方とも、正方形断面である。他の形状もまた、矩形および偶数の側面を有する多角形を含む均質化機として使用可能である。一般的には、奇数の側面を有する多角形は、均質化において効果的ではなく、円唇断面は、半径方向ではなく、接線においてのみ均質化するが、同様に使用され得る。しかしながら、効率的ではない。独特の光学区画１２０８は、ＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳコンピュータ支援設計ソフトウェアを使用して行うことが可能なような開口１３０２の円唇断面を有する１２０６の正方形断面をロフト化することによって形成される。
【００２６】
図１４および１５は、図９の集光光学の別の代替実施形態を表す。１４００として指定され、それぞれ、図１４に断面図として、図１５に底面図として示される。光学１４０４は、入射１４０２において正方形であって、１４０６において円形であって、したがって、図１２の区画１２０８に類似するが、光学の全長に延設し、光統合区画を含有しない。
【００２７】
図１６および１７は、１６００として指定され、また、屈折率整合ゲルを伴わずに使用するために意図される、図９の光学の別の代替実施形態の断面ならびに底面図１７００を示す。光は、同様に成形されたＬＥＤダイ、ダイアレイ、蛍光体コーティングされたダイまたはダイアレイ、あるいはそれらの組み合わせの上方に配置される正方形断面入射開口１６０２に入射する。光は、全反射によって、正方形断面光学１６０４の上方に、正方形断面１６０６における出射へと、次いで、出射開口１６０８を通して誘導される。図９から１７の円唇および正方形テーパ状集光光学両方の遠視野は、実質的に円形である。代替として、図１６および１７の光学の側面１６０４は、図１１の区画９１０および１００２の外形に類似し得、実際、類似断面を有するであろう。しかしながら、この場合、遠視野は、実質的に正方形である。実際、遠視野の縦横比は、特定の軸に沿った面寸法と開口数（出射角のサイン（θ）であるＮＡ）の積である輝度の定理に従う反比例関係において、出射の縦横比によって制御されるであろう。したがって、寸法が長い矩形出射は、狭い寸法の矩形遠視野をもたらし、寸法が短いほど、より広い遠視野をもたらす。図１７の光学の出射開口の角は、１７０２の近傍において、ファセットが重複し、図１および９の光学に対して説明されたものと同様に、光が光センサへと戻って採光されることを可能にすることに留意されたい。したがって、ＬＥＤアレイは、光学軸に沿って、４５度回転されて、本状態を達成する。
【００２８】
図１８から２２は、図１のＬＥＤ光エンジンの代替実施形態を示す。代替実施形態は、１８００として指定され、それぞれ、図１８に等角図、図１９に断面図、図２０に底面図、図２１に等角断面図、および図２２に拡大断面図として示される。図１８における光学１８０６の出射開口１８０２は、出射開口１８０２の中心に置かれた、光学に向かう反射面を有する鏡１８０４を示す。ＬＥＤ基板１８０８およびコネクタ１８１０は、図１の基板１０４およびコネクタ１０６に類似する。図１９の断面を参照すると、光は、入射開口１９０４において、この屈折率不整合ＣＰＣに入射し、直接または光学１９０２の側面からの全反射のいずれかによって、出射開口１８０２および鏡１８０４に向かって配向される。図２０は、入射開口１９０４および出射開口１９０６の両方における、光学１９０２の円形断面を示す。光線２１０８の光線路は、図２１内の光学１８０６の等角断面図に示され、どのように、最初に、開口１９０４に入射し、次いで、入射開口１９０４に向かって後方反射する鏡１８０４に向かって上方に、開口１９０４の直下に示されるＬＥＤアレイへと通過し、続いて、出射開口１８０２を通して散乱されるかを示す。このように、鏡１８０４の中心開口内の出射開口１８０２の輝度は、別様に、鏡１８０４が不在であったであろうものより増加する。この輝度の向上は、一般的には、高強度の放電短絡アークキセノンまたは金属ハロゲン化合物燈の使用によって達成される内視鏡ファイバ束照明等の非常に高い輝度を必要とするエタンデュ制限用途において有用である。反射または散乱界面における有限損失のために、このアプローチは、必然的に効率を低減させるが、他のアプローチよりも高い輝度（単位面積当たりの単位角度当たりの電力）をもたらす。一般的には、約２倍の輝度の増加が、この方法によって実現可能であるが、光学開口と鏡開口の比率が増加することに伴って収量逓減が生じる。最先端のＬＥＤダイの一般的な反射率は、ＵＶから緑色波長の場合、約８０％であって、琥珀色から近赤外線（ＮＩＲ）の場合、約６０％以上である。ＬＥＤ専用に生成されたＣｅ：ＹＡＧおよびその他等の蛍光体は、一般的には１に近い量子効率を有し、したがって、反射において非常に良好に作用する。したがって、青色スペクトル内の反射された光は、部分的に再吸収され、出射開口に向かって後方反射される非吸収光の大部分を有する黄色光として、放出される機会を有する。このように、蛍光体コーティングされた露出ＬＥＤと、鏡面化開口を具備する光学を伴う出射との間に黄方偏移（下方ＣＣＴに向かって）が存在する。したがって、ＬＥＤ上の蛍光体コーティングの厚さは、所与のＣＣＴ規格に対するこの光フィードバックが不在であろうものより低減され、それによって、ＬＥＤダイに向かって後方散乱される光を、元来ダイから出射するように減少させる。これは、上述の反射および散乱による効率損失の一部を相殺可能である。ＬＥＤダイまたはＬＥＤダイと異なる着色ＬＥＤダイを伴う蛍光体の組み合わせの２つ以上の色が使用される場合、近視野における光の混合または均質化を増加させる傾向にあるという点において、このアプローチの付加的な利点が存在する。鏡１８０４は、いくつかの材料から構成され得る。例えば、３Ｍは、反射率約９８％を伴う、ＶｉｋｕｉｔｉＴＭ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｆｉｌｍという製品名の反射シートを市販している。フィルムは、接着剤によって、または他の光学的に透明なセメント、エポキシ、または接着剤によって取着可能である。
【００２９】
図２２の断面図における光学１９０２の形状は、光学１９０２が、屈折率整合ゲルを伴わずに作用するように設計され、したがって、点線によって示されるように、その間の界面におけるＣＰＣ放物線形状２１０４に接する円錐入射区画２１０２から構成されるという点において、図１１の光学のものに類似する。区画２１０６はまた、円錐形であって、これらの２つの区画の間の点線における区画２１０４に接し、光学の上部に向かって十分な抜き勾配を維持し、光学がモールドから解放されることをより容易にする目的のためになされる。この種類の光学のための基礎設計アプローチは、屈折率が整合され、したがって、円錐区画を有しない標準的なＣＰＣであるように、誘電媒体と、一般的には空気である囲繞媒体の屈折率を適切に考慮して、入射開口を設計することである。次いで、類似の出射エタンデュ（直径および角度）に対するものとなるまで、入射開口を広げ、円錐区画が、ＣＰＣの放物線区画に接することを必要とし、したがって、円錐区画２１０２の角度および長さを決定する。区画２１０６の若干の抜き勾配は、出射直径および角度に及ぼすわずかな効果しか有しないが、ＴＲＡＣＥＰＲＯ、ＺＥＭＡＸ、ＦＲＥＤ、ＡＳＡＰ、およびＬＩＧＨＴ  ＴＯＯＬＳ等の非連続的設計ソフトウェアの使用によって、設計最適化において、考慮可能である。代替として、本光学の入射および出射開口は、より小さい開口のためのダイの形状に整合するように、正方形または矩形断面の両方であり得る。しかしながら、蛍光体を使用する場合、ＬＥＤダイを囲む領域は、蛍光体によってコーティングされることを想定して、拡散的に反射するであろうことに留意されたい。
【００３０】
図２３から２８は、図１８の光学の光学構成の代替実施形態を示す。図２３および２４は、光学ホルダ２３０２と、出射開口２３０６を伴う集光光学２４０４、開口２３１０、側面反射壁２３０８、および上部開口２３０４を伴う、反射界面構成要素２４０６の等角図を示す。図２４は、図２３のシステムのさらなる詳細を断面図として示す。図２１の光学１９０２に類似する形状を有し得る光学２４０４は、界面構成要素または光学ホルダ２４０６内に保持され、次に、囲繞ホルダ２３０２内に保持される。光学出射面２３０６に連結する内側唇縁２４０８は、そこに入射する任意の光が、入射開口２４０２下方のＬＥＤアレイに後方反射され、続いて、光学２４０４を通して、開口２３１０および２３０４から後方散乱される機会を有するように反射可能である。光学を保持するためのこの種類の方法は、高い電力密度の短波長光学のために使用されるであろうガラス版の光学に対して特に有用であって、そうでなければ、ポリマーから構成される場合、黄変による劣化効果または高温動作による溶融によって負の影響を受けるであろう。構成要素全体をガラスから形成することは、実現可能であるが、製造は、あまり容易ではない。光学ホルダ２３０２は、最適には、入射開口とＬＥＤダイアレイとの間の距離が、温度変化によって大幅に変化しないように、光学の膨張係数に緊密に整合する膨張係数によって、高温材料から構成されるであろう。そうでなければ、光学は、潜在的に、過度の温度において損傷され得るか、またはワイヤ接合が損傷され得る。
【００３１】
図２５および２６は、図２３および２４に非常に類似するシステムを示し、光学直径と、図２５の等角図に示される出射開口２５０２を有する反射光学ホルダの出射開口直径との比率のみが修正されている。図２６は、図２５のシステムの断面図を示し、入射開口２４０２の下方のＬＥＤダイから開始し、ＬＥＤアレイに向かって鏡面化ホルダ２６０２の内側面から後方反射し、開口２５０２および２５０６から出射する光線路２６０６を示す。再び、ホルダ２６０２の内側壁２５０４は、任意の光衝突が、開口２５０６から実質的に再配向され、大幅に散乱または吸収されないように鏡面化される。図２５および２６のシステムは、図２１のシステムと類似の効果を有する。ホルダ２６０２の材料は、好ましくは、高温プラスチックであるか、または同様に金属であり得る。ホルダ２３０２の形状によって付勢され、光学２４０４のテーパ状壁に対して折曲し、圧入され得る、光学が納まる対のボア内の側壁に沿った細隙とともに設計され得、それによって、全３つの構成要素をともに保持する手段として作用する。そうでなければ、保定リングを使用して、光学およびホルダ２４０６をホルダ２３０２内に保持し得る。
【００３２】
図２７および２８は、それぞれ、図２３および２５のシステムの断面図を示す。図２７のシステムの光学２４０４は、それぞれ、図２２の区画２１０２、２１０４、および２１０６に類似する区画２７０２、２７０４、ならびに２７０６を有する。
【００３３】
図２９から３８は、鏡面化開口を組み込み、内視鏡照明等の用途のための光ファイバまたはファイバ束に連結するように設計されるＬＥＤ光エンジンの別の実施形態２９００を示しており、これは、はるかに改善された寿命、より低コスト、かつ低入力電力によって、現在は、キセノンアーク燈系システムに取って代わることが可能である。さらに、これらのシステムは、現在使用されている多くの手術室用照明システムと関連付けられたＥＭＩ（電磁干渉）を排除する、アーク燈のために必要であるような、それらを始動するための高電圧を必要としない。図２９は、取着された光ファイバ２９０８から光が放出される、ＬＥＤ基板２９０４に取着されたホルダ２９０２と、サーミスタ温度センサ２９１０と、表面搭載コネクタ２９０６とを伴うＬＥＤ光エンジン２９００を示す。図３０は、図２９のシステムの断面図を示し、光学３００４と、鏡面化開口３０１０と、ファイバ２９０８と、光学リテーナ３００８と、ファイバフェルール３０１４とを含む内部構成要素を示している。ファイバホルダの底面近傍の斜面は、ホルダ２９０２の側面を通る位置決めネジが、開口３００６において集光光学３００４の出射面に近接して、ファイバ２９０８を保定することを可能にする。ホルダ内の運動ピンは、金属コアＬＥＤ基板２９０４における孔内に突出していることが示されている。鏡面化開口３０１０の底面は、保護アルミニウムまたは銀等の高反射性コーティング、または代替として、多層反射誘電積層コーティングによってコーティングされる。代替として、反射フィルムを備える、３Ｍから市販の上述の材料が、鏡３０１０の底に取着され得る。ファイバ２９０８は、３０１０内の開口を通って延在可能であるように、フェルール３０１４の下方面を越えて延出する。鏡内の孔の内側壁が鏡面反射の状態である場合、ファイバは、光学３００４の出射開口３００６に対して真っ直ぐである必要はないであろう。再び、ＬＥＤダイ、ダイアレイ、またはダイ／蛍光体の組み合わせは、光学３００４の入射開口３００２の下方中心に置かれるＬＥＤ基板２９０４上に位置するであろう。システム３０００の鏡の機能は、図１８の鏡１８０２のものに類似している。図３１は、図３０のシステムの等角断面図を示し、ホルダ２９０２の底面上の類似の運動ピンによって中心に置かれる内側構成要素、特に、光学リテーナ３００８のより良い全体像を提供する。図３２は、入射開口３００２または光学３００４におけるＬＥＤダイを除いた、基板または取着された構成要素を伴わない、図２９のシステムの底面等角断面図を示す。光線路３２０２は、ＬＥＤアレイまたは蛍光体に対する後方鏡面反射によって配向され、次いで、開口３００６から後方に光ファイバ２９０８内へと散乱される、表面３２０４における反射鏡開口３０１０の底面から反射した、ＬＥＤアレイから放出される光線を示す。
【００３４】
図３３は、ホルダ２９０２が除去された、図３２のシステムの詳細を示し、図３４に断面図を示す。図３５から３８は、図３３のシステムの光学３００４の詳細図を示し、正方形ＬＥＤアレイ３５０２に対する入射面３００２の正方形寸法を示す。出射面３００６もまた、正方形断面である。光学の角は、ガラス光学をモールドから開放することをより容易にするように半曲されている。ＬＥＤダイの角における少量の光損失が、出口面面積とファイバ直径面積との比率を減少させることによって補償され、それによって、出口開口からの結合光の効率を増加させるので、半曲エッジに起因した性能損失はある程度まで存在しない。図３７および３８は、それぞれ、等角図および断面図として、正方形に区切られ、半曲のないエッジを有する光学３００４を示す。側面３７０６は、３つの区画、すなわち、円錐形である３８０２と、放物線ＣＰＣ形状である３８０４と、図２２の光学１９０２の表面と同様に円錐形である３８０６とから構成される。
【００３５】
最後に、図３９のシステム３９００が、図３０のシステムの代替実施形態を表す等角図として示され、単一のＬＥＤアレイが、４つの個々の集光光学３９０６の入射開口における４つの別個のＬＥＤアレイ３９０４に置換されている。開口部を備えた鏡３９０８は、集光光学３９０６の出射面に配置され、ＬＥＤ基板３９０２に取着された４つのアレイの中心軸上の中心に置かれる。光ファイバまたはファイバ束３９１０は、開口部を備えた鏡３９０８の出射口に連結する。図４０は、図３９のシステムの断面等角図を示し、光学３９０６の出射開口４００２と鏡面化反射体３９０８の中心開口との間の重複状態を示す。図４１および４２は、それぞれ、断面図として、ＬＥＤ基板を伴わない図３９のシステムの等角底面図を示し、ＬＥＤダイの４つの群の間の分離状態を示す。開口部を備えた鏡３９０８の下方面４１０２は、円筒形表面４２０４における開口の内側となるので、高い反射性である。したがって、ファイバ３９１０は、開口部を備えた鏡３９０８に当接結合され、その中心に置かれる。単一光学の使用に勝る、図３９のシステムの利点は、事実上、熱である。ＬＥＤ基板上の熱源（ＬＥＤダイ）間の距離を増加させることによって、熱流束が低減され、ダイは所与の冷却度に対して低温に維持可能である。熱性能の改良によって改善された出射が、より複雑なシステムの不利点に勝る場合、この構成の正味の利益が存在する。これは、熱状況が改善されるであろう図４１におけるＬＥＤダイ群の分離状態から明白である。特に、他のＬＥＤ熱負荷によって完全に囲繞されるような、４×４アレイの１６ダイの最内のＬＥＤダイにおいて明白である。
【００３６】
上述のシステムすべてに対して、任意の空気−誘電体界面上における抗反射コーティングの追加によって、伝達効率がさらに向上させられ得ることは、当技術分野において、周知である。加えて、示される光学形状は、エタンデュ保持における一部損失を伴うファセット化された光学によって近似され得る。加えて、有機発光ダイオードおよびレーザダイオードを含む他の種類のエミッタも、ＬＥＤと置換され得る。他の変形例も当業者に想起され、添付の請求項の範囲内であると意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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